ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΗΣ Σχεδιασμός Πολυώροφου Μεταλλικού Κτιρίου με Βάση τους Ευρωκώδικες ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΚΟΥΖΟΥΠΗ Επιβλέπων : Γεώργιος Ιωαννίδης Καθηγητής Ε.Μ.Π. ΕΜΚ ΔΕ 2012/05 Αθήνα, Μάρτιος 2012

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΗΣ Σχεδιασμός Πολυώροφου Μεταλλικού Κτιρίου με Βάση τους Ευρωκώδικες ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ ΚΟΥΖΟΥΠΗ Επιβλέπων : Γεώργιος Ιωαννίδης Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 21 η Μαρτίου (Υπογραφή) (Υπογραφή) (Υπογραφή) Γεώργιος Ιωαννίδης Γιάννης Ραυτογιάννης Τάσος Αβραάμ Καθηγητής Ε.Μ.Π. Επίκουρος Καθηγητής Ε.Μ.Π. Λέκτορας Ε.Μ.Π. Αθήνα, Μάρτιος 2012

4 (Υπογραφή)... Κωνσταντίνος Κουζούπης Διπλωματούχος Πολιτικός Μηχανικός Ε.Μ.Π All rights reserved

5 Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στη μελέτη και το σχεδιασμός μεταλλικού κτηρίου με βάση τα τελικά κείμενα των Ευρωκωδίκων. Το συγκεκριμένο κτήριο, το οποίο αποτελείται από επτά (7) επίπεδα, σχεδιάζεται με σκοπό να καλύψει τις ανάγκες στέγασης των πρακτορείων γραπτού τύπου αθλητικών οργανώσεων επιπέδου Ολυμπιακών αγώνων και όχι μόνο. Ο φέρων οργανισμός του κτηρίου συνίσταται σε μεταλλική ανωδομή με σύμμικτες πλάκες. Η ανάλυση έγινε βάση των αρχών που επιβάλλουν οι εξής Ευρωκώδικες: Ευρωκώδικας 0 Βάσεις Σχεδιασμού Ευρωκώδικας 1 Δράσεις στους Φορείς Ευρωκώδικας 3 Σχεδιασμός Φορέων από Χάλυβα Ευρωκώδικας 8 Αντισεισμικός Σχεδιασμός Για την ανάλυση και το σχεδιασμό χρησιμοποιήθηκε εξ ολοκλήρου το πρόγραμμα Fespa στην 10 η έκδοσή του το οποίο αναπτύσσει η εταιρία LH Λογισμική. Η εργασία αποτελείται από έξι (6) κεφάλαια.

6 Abstract The purpose of this thesis is the design of a steel building based on the Eurocodes. The building consists of seven (7) levels, designed to meet the needs of the press covering Olympics and other activities. The main body of the building consists of a steel superstructure with concrete decks. The analysis was based on the principles imposed by the following Eurocodes: Eurocode 0 - Basis of Structural Design Eurocode 1 - Actions on Structures Eurocode 3 - Design of Steel Structures Eurocode 8 - Design of structures for earthquake resistance The structure was designed and analyzed with Fespa (10 th version), CAD software made by LH Logismiki. This thesis consists of six (6) chapters.

7

8 Πίνακας περιεχομένων 1 Παρουσίαση Έργου Περιγραφή έργου & Στοιχεία Φορέα (Γεωμετρία Υλικά) Μέσα Ανάλυσης Φορέα Κανονισμοί Λογισμικό Αρχές Ανάλυσης και Σχεδιασμού Γενικά Οριακές Καταστάσεις Δράσεις και Συνδυασμοί Δράσεων Μέθοδοι Ανάλυσης Ποιότητα Υλικών Χάλυβας Σκυρόδεμα Ο Πολυώροφος Μεταλλικός Φορέας Πλάκες Δευτερεύουσες Δοκοί Κύριες Δοκοί Υποστυλώματα Παραλαβή Οριζόντιων Φορτίων Συστήματα Πλευρικής Ευστάθειας Φορτία σε συνήθη κτήρια σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 1 (ΕΝ1991) Γενικά Μόνιμα Φορτία Επιβαλλόμενα Φορτία Φορτία Χιονιού επί Στεγών Ανάλυση σχέσης υπολογισμού φορτίου χιονιού ii

9 2.5 Φορτία Ανέμου Σεισμικές Δράσεις Ειδικοί κανόνες για μεταλλικά κτήρια Έλεγχοι κατά EC Έλεγχος Διατομών σε ΟΚΑ Αντοχή διατομών Εφελκυσμός Θλίψη Ροπή κάμψης Τέμνουσα Στρέψη Κάμψη και διάτμηση Κάμψη και αξονική δύναμη Κάμψη, διάτμηση και αξονική δύναμη Αντοχή σε λυγισμό Μέλη σταθεράς διατομής υπό θλίψη Μέλη σταθεράς διατομής υπό κάμψη Μέλη σταθεράς διατομής υπό κάμψη και αξονική θλίψη Φορτία Φορέα, Ανάλυση & Έλεγχος Δράσεις Μόνιμες δράσεις Μεταβλητές δράσεις Φορτία ανέμου Φορτία Χιονιού Σεισμικά Φορτία Έλεγχος διαγωνίων Έλεγχος δοκών & υποστυλωμάτων Λοιποί γενικοί έλεγχοι Επίλυση με ΕΑΚ Συνοπτικά αποτελέσματα iii

10 4.3 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α - Γραφικά αποτελέσματα προγράμματος FESPA iv

11 1 Παρουσίαση Έργου 1.1 Περιγραφή έργου & Στοιχεία Φορέα (Γεωμετρία Υλικά) Το παρόν κτήριο (3 Α ) αποτελεί τμήμα μιας μεγαλύτερης εγκατάστασης που σκοπό έχει να στεγάσει τις ανάγκες δημοσιογραφικής κάλυψης αθλητικών γεγονότων επιπέδου Ολυμπιακών αγώνων και όχι μόνο. Αυτό σημαίνει ότι σχεδιάζεται με σκοπό τη συνεχή, αδιάκοπη λειτουργία κατά τη διάρκεια αυτών των εκδηλώσεων. Το κτήριο περιλαμβάνει χώρους υποδοχής, αίθουσες εργασίας δημοσιογράφων, αίθουσα συλλογής στοιχείων (βιβλιοθήκη), αίθουσα συνεντεύξεων, γραφεία, πρακτορεία, υπηρεσίες σίτισης, φωτογραφικά εργαστήρια, παραρτήματα τραπεζών, καταστήματα Ελληνικών Ταχυδρομείων καθώς και αίθουσες εκθέσεων. Το κτήριο καλύπτει επιφάνεια χιλίων διακοσίων (1290,00) τετραγωνικών μέτρων περίπου και αποτελείται από επτά (7) επίπεδα. Το πρώτο επίπεδο λειτουργεί ως χώρος υποδοχής, εστιατορίου και λοιπών καταστημάτων. Στο επίπεδο 3 θα λειτουργήσει μαζί με τα γραφεία και ένας μικρός χώρος συγκεντρώσεων. Εστιατόριο και καφετέρια θα λειτουργήσει επίσης στο 4 ο επίπεδο (στο δώμα). Το 7 ο επίπεδο θα χρησιμοποιηθεί για εγκατάσταση κλιματισμού-εξαερισμού, κεραιών τηλεπικοινωνίας και άλλων ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων. Οι υπόλοιποι χώροι θα χρησιμοποιηθούν ως γραφεία και λοιπές αίθουσες. Ο φορέας αποτελείται από μεταλλική ανωδομή με σύμμικτες πλάκες πάχους 10,0 cm οι οποίες εδράζονται επί δευτερευουσών δοκών (ΗΕΑ 400) καθώς και επάνω στις κύριες δοκούς (ΗΕΑ700 περιμετρικά και εξωτερικά ανοίγματα, ΗΕΑ800 και ΗΕΑ900 για τα εσωτερικά ανάλογα με τον όροφο). Σύμμικτες πλάκες ονομάζονται οι φέρουσες πλάκες οροφής κτιρίων, οι οποίες αποτελούνται από χαλυβδόφυλλα και επί τόπου έγχυτο σκυρόδεμα. Το βασικό συστατικό των σύμμικτων πλακών είναι τα 1

12 χαλυβδόφυλλα που λειτουργούν αρχικά κατά τη φάση κατασκευής ως μεταλλότυπος για το έγχυτο σκυρόδεμα, μεταφέροντας τα φορτία της σκυροδέτησης. Μετά την πήξη του σκυροδέματος η παραλαβή των λοιπών φορτίων κατά τη διάρκεια ζωής της κατασκευής γίνεται από τη σύμμικτη δράση των δύο υλικών που λειτουργούν πλέον ως σύμμικτη πλάκα. Στη σύμμικτη πλάκα προβλέπεται συνήθως ένας ελαφρύς οπλισμός που αφενός μεν προστατεύει το σκυρόδεμα από τη ρηγμάτωση, αφετέρου δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραλαβή των (αρνητικών) ροπών των στηρίξεων στην περίπτωση που επιλεγεί το στατικό σύστημα της συνεχούς δοκού πολλών ανοιγμάτων. Τα φορτία μεταφέρονται από τις δοκούς στα υποστυλώματα (ΗΕΜ600 εξωτερικά και ΗΕΜ900 εσωτερικά) και από εκεί στη θεμελίωση. Τα οριζόντια φορτία παραλαμβάνονται κατά τη διεύθυνση x-x με άκαμπτα πλαίσια ενώ κατά τη διεύθυνση y y μόνο με κατακόρυφους συνδέσμους τύπου Χ (αρθρωτές συνδέσεις δοκών πλαισίων) διατομής SHS (Η διατομή διαφέρει ανά όροφο λόγω ομοιόμορφης κατανομής αντοχής). Ιδιαιτερότητα του φορέα αποτελούν τα μεγάλα ανοίγματα δοκών καθώς και η μη κανονικότητα του κτηρίου καθ ύψος. Περιμετρικά το κτήριο καλύπτεται με υαλοπίνακες και μπατική τοιχοποιία. 1.2 Μέσα Ανάλυσης Φορέα Κανονισμοί Η Ελλάδα πολύ σύντομα θα εκδώσει τις αναγκαίες κανονιστικές πράξεις που θα καθιστούν τους Ευρωκώδικες κείμενα υποχρεωτικής εφαρμογής, και θα αποσύρει όλους τους μέχρι εκείνη τη στιγμή ισχύοντες κανονισμούς σχεδίασης δομικών έργων (αντισεισμικός, μελέτης έργων από σκυρόδεμα, κλπ.). Οι Ευρωκώδικες συμπληρώνονται από τα Εθνικά Προσαρτήματα (National Annexes) που εκδίδονται από κάθε χώρα και περιέχουν τις «Εθνικά Προσδιορισμένες Παραμέτρους» που καθορίζουν τις εθνικές επιλογές κάθε χώρας για το επίπεδο προστασίας που επιθυμεί να υιοθετήσει (σεισμικές παράμετροι, μεγέθη φορτίσεων κλπ). Έτσι η μελέτη και ο σχεδιασμός του κτηρίου βασίστηκε εξ ολοκλήρου στους Ευρωκώδικες, ως αυτοί έχουν έως σήμερα. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν οι εξής Ευρωκώδικες: 2

13 Ευρωκώδικας 0 (EN1990) Βάσεις Σχεδιασμού Ευρωκώδικας 1 (EN1991) Δράσεις στους Φορείς Ευρωκώδικας 3 (EN1993) Σχεδιασμός Φορέων από Χάλυβα Ευρωκώδικας 8 (EN1998) Αντισεισμικός Σχεδιασμός Λογισμικό Για την ανάλυση και το σχεδιασμό χρησιμοποιήθηκε εξ ολοκλήρου το πρόγραμμα Fespa στην 10 η έκδοσή του το οποίο αναπτύσσει η εταιρία LH Λογισμική. Το πρόγραμμα χρησιμοποιεί τις εξής μεθόδους ανάλυσης και διαστασιολόγησης για μέταλλο και σκυρόδεμα: Εφαρμοζόμενοι Κανονισμοί Ευρωκώδικας 3: Υπολογισμός Κατασκευών από Χάλυβα ENV /1992. Ελληνικός Αντισεισμικός Κανονισμός - έκδοση 2000, ΦΕΚ 2184β - 20 Δεκεμβρίου 1999 Διόρθωση λαθών στον Ελληνικό Αντισεισμικό κανονισμό (ΕΑΚ-2000), ΦΕΚ 423β - 12 Απριλίου 2001 Τροποποίηση και συμπλήρωση της απόφασης έγκρισης του "Ελληνικού Αντισεισμικού Κανονισμού", ΦΕΚ 781β - 18 Ιουνίου Τροποποίηση διατάξεων του Ελληνικού Αντισεισμικού Κανονισμού ΕΑΚ λόγω αναθεώρησης του Χάρτη Σεισμικής Επικινδυνότητας, ΦΕΚ 1154β - 12 Αυγούστου 2003 Άλλοι Σχετικοί Κανονισμοί και Διατάξεις Ευρωκώδικας 1: Βάσεις σχεδιασμού και δράσεων στις κατασκευές ENV Ελληνικός κανονισμός Ωπλισμένου Σκυροδέματος (ΕΚΩΣ-2000, ΦΕΚ 1329β - 6 Νοεμβρίου 2000 Ελληνικός Κανονισμός Τεχνολογίας Σκυροδέματος 97, ΦΕΚ 315/Β/ Έλεγχοι μελών από δομικό χάλυβα - Σύνοψη των ελέγχων κατά EC3 1.Κατηγοριοποίηση διατομής 3

14 Πριν τη διενέργεια οποιουδήποτε ελέγχου, καθορίζεται από το πρόγραμμα η κατηγορία της διατομής { EC-3} και Πίνακας 1, ΕΑΚ Εφελκυόμενα μέλη Τα εφελκυόμενα μέλη ελέγχονται σε εφελκυσμό { EC-3}. 3. Θλιβόμενα μέλη Τα θλιβόμενα μέλη ελέγχονται σε αξονική θλίψη { EC-3} και σε λυγισμό { EC-3}. 4. Κυρίως καμπτόμενα μέλη (Δοκοί) Τα μέλη που υπόκεινται σε κάμψη ελέγχονται σε εφελκυσμό { EC-3}, υπό αξονική θλίψη { EC-3}, σε λυγισμό { EC-3}, και σε ροπή κάμψης { EC-3}, μονοαξονική ή διαξονική, με ταυτόχρονη παρουσία αξονικής δύναμης { EC-3}. Η ταυτόχρονη παρουσία της τέμνουσας δύναμης λαμβάνεται υπόψιν με την απομείωση της πλαστικής καμπτικής αντίστασης όπως ορίζεται στην { EC-3}. Στην περίπτωση μίας μη πλευρικά εξασφαλισμένης δοκού γίνεται ο έλεγχος σε πλευρικό λυγισμό δοκών { EC-3}. Τέλος όπου απαιτείται γίνεται ο έλεγχος σε διατμητικό λυγισμό { 5.6 EC-3}. 5. Κυρίως θλιβόμενα μέλη (Υποστυλώματα) Τα μέλη που υπόκεινται σε συνδυασμό αξονικής δύναμης και ροπής ελέγχονται σε κάμψη και αξονική δύναμη { EC-3}, κάμψη και αξονικό εφελκυσμό { EC-3}, κάμψη και αξονική θλίψη { EC-3}. Εφαρμόζονται τα κατάλληλα κριτήρια που ισχύουν για τα κυρίως καμπτόμενα μέλη, τα εφελκυόμενα και τα θλιβόμενα μέλη. 6. Ικανοτικός σχεδιασμός μεταλλικών στοιχείων / Αποφυγή σχηματισμού πλαστικών αρθρώσεων σε υποστυλώματα Τα δομικά μέλη ελέγχονται έτσι ώστε να προηγείται η καμπτική αστοχία της διατμητικής με υπολογισμό σε κάθε πιθανή θέση ψαθυρής αστοχίας, ενώ υπολογίζεται ώστε η αντοχή σε κάμψη των υποστυλωμάτων σε ένα κόμβο να είναι μεγαλύτερη από την αντοχή σε κάμψη των δοκών που συντρέχουν στον ίδιο κόμβο. Για κάθε δράση ή συνδυασμό δράσεων, το Fespa κάνει μια σειρά 4

15 ελέγχων σε κάθε μέλος από δομικό χάλυβα, σύμφωνα με όσα αναφέρονται στο παράρτημα Γ του ΕΑΚ Οριακή Κατάσταση Λειτουργικότητας - Παραμορφώσεις Ο έλεγχος της οριακής κατάστασης λειτουργικότητας γίνεται για τα κυρίως καμπτόμενα στοιχεία (δοκοί) του φορέα, καθώς και τα στοιχεία εκείνα που φέρουν την επικάλυψη του φορέα (τεγίδες στις στέγες). Ο υπολογισμός του κατακόρυφου βέλους κάμψης, το οποίο μπορεί να βλάψει την εμφάνιση του κτιρίου πρέπει να είναι σύμφωνος με τα όρια τα οποία συμφωνήθηκαν μεταξύ του πελάτη, του μελετητή, και της αρμόδιας αρχής. Τα όρια αυτά πρέπει να είναι σύμφωνα με αυτά της { 4.2.2(2) EC-3}. Ο έλεγχος γίνεται για όλες τις κατάλληλες φορτίσεις και τους συνδυασμούς αυτών που έχει εισάγει ο χρήστης. Στα υποστυλώματα το οριζόντιο βέλος κάμψης πρέπει να ικανοποιεί τον λόγο "H/300" σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3, Μέρος 1.1, 4.2.2(4). 1.3 Αρχές Ανάλυσης και Σχεδιασμού Γενικά Σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 0 (Βάσεις Σχεδιασμού), για την εφαρμογή όλων των Ευρωκωδίκων θα πρέπει να ισχύουν κάποιες προϋποθέσεις σε ότι αφορά στην εφαρμογή αυτών: Η επιλογή μεθόδου ανάλυσης και σχεδιασμού θα πρέπει να γίνεται από προσωπικό με κατάλληλη εξειδίκευση και εμπειρία Η κατασκευή θα πραγματοποιείται από προσωπικό με την κατάλληλη ικανότητα και εμπειρία Κατά τη διάρκεια της κατασκευής θα πρέπει να υπάρχει επαρκής επίβλεψη και έλεγχος ποιότητας, από το εργοστάσιο έως το εργοτάξιο Τα χρησιμοποιούμενα υλικά να είναι κατάλληλα και σύμφωνα με τα όσα περιγράφονται στα ΕΝ1990 ΕΝ1999 ή σε άλλα σχετικά πρότυπα και προδιαγραφές Να γίνεται επαρκής συντήρηση της κατασκευής 5

16 Η κατασκευή να χρησιμοποιείται ως προβλέπεται στις παραδοχές σχεδιασμού Κάθε κατασκευή θα πρέπει να σχεδιάζεται και κατασκευάζεται έτσι ώστε, μέσα στα κατάλληλα πλαίσια αξιοπιστίας και οικονομίας, να: Έχει επαρκή αντοχή, λειτουργικότητα και αξιοπιστία Παραλαμβάνει όλες τις δράσεις καθώς και επιπλέον επιδράσεις που πιθανόν να εμφανιστούν κατά τη φάση κατασκευής και κατά τη διάρκεια χρήσης αυτής Παραμένει κατάλληλη για τη χρήση για την οποία προορίζεται Επιπλέον κάθε κατασκευή θα πρέπει να αντέχει, για ορισμένο χρονικό διάστημα και ανάλογα με τη σκοπό που εξυπηρετεί, σε καταστάσεις όπως πυρκαγιές, εκρήξεις, προσκρούσεις ή ανθρώπινα λάθη. Αυτό επιτυγχάνεται μέσα από την επιλογή κατάλληλου -ων δομικού -ών συστήματος -ων, προστατευτικών μέτρων, επιλογή κατάλληλων υλικών, κλπ. Κάθε κατασκευή ελέγχεται έναντι αστοχίας και λειτουργικότητας μέσω των καταστάσεων σχεδιασμού. Οι καταστάσεις σχεδιασμού περιγράφουν επαρκώς όλους τους συνδυασμούς φορτίσεων στους οποίους εκτίθεται η κατασκευή τόσο κατά την ανέγερση όσο και κατά την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής της και κατηγοριοποιούνται ως εξής: Καταστάσεις διαρκείας, που αναφέρονται σε κανονικές συνθήκες χρήσης Παροδικές καταστάσεις, που αναφέρονται σε προσωρινές καταστάσεις, πχ φάση ανέγερσης ή επισκευής Τυχηματικές καταστάσεις, πχ πυρκαγιά, έκρηξη, πρόσκρουση, συνέπειες από τοπική αστοχία Καταστάσεις σεισμού Οριακές Καταστάσεις Οι οριακές καταστάσεις περιγράφουν την κατάσταση μιας κατασκευής πέραν της οποίας η κατασκευή αυτή δεν μπορεί να λειτουργήσει, δηλαδή δεν ικανοποιεί τις απαιτήσεις ασφαλείας και λειτουργικότητας. Οι οριακές καταστάσεις που αφορούν στην ασφάλεια των ανθρώπων και / ή στην ασφάλεια των κατασκευών περιγράφονται ως «Οριακές Καταστάσεις Αστοχίας» ενώ εκείνες που αφορούν στη λειτουργία της 6

17 κατασκευής ή ορισμένων μελών αυτής, στην άνεση που προσφέρει η κατασκευή καθώς και αυτές που επηρεάζουν το αισθητικό αποτέλεσμα (πχ, ρωγμές) περιγράφονται ως «Οριακές Καταστάσεις Λειτουργικότητας». Οι καταστάσεις αυτές προσεγγίζονται με προσαύξηση των φορτίων λειτουργίας του φορέα μέσω των επιμέρους συντελεστών ασφαλείας (οι οποίοι παίρνουν τιμές 1.0). Τα φορτία που προκύπτουν ονομάζονται φορτία σχεδιασμού και χρησιμοποιούνται σε συνδυασμούς για το σχεδιασμό του φορέα μέσω καταλλήλων προσομοιωμάτων Οριακές Καταστάσεις Αστοχίας (Ultimate Limit States) Οι οριακές καταστάσεις αστοχίας (ΟΚΑ εφεξής) αντιστοιχούν σε: Απώλεια στατικής ισορροπίας ενός στοιχείου ή του συνόλου της κατασκευής θεωρούμενης ως στερεού σώματος Μετατροπή του φορέα σε μηχανισμό Οριακές καταστάσεις αντοχής σε κρίσιμες διατομές: έναντι ορθών εντατικών μεγεθών (ροπή κάμψης και / ή αξονική δύναμη) έναντι διατμητικών καταπονήσεων, δηλαδή: τέμνουσα στρέψη διάτρηση συνάφεια Οριακές καταστάσεις λυγισμού και ύβωσης. Πρόκειται για οριακές καταστάσεις αστοχίας λόγω παραμόρφωσης του φορέα. Σε λυγισμό εξετάζονται οι γραμμικοί φορείς και σε ύβωση οι επιφανειακοί. Οριακές καταστάσεις κόπωσης που θέτουν σε κίνδυνο ανθρώπινες ζωές ή και, σε εξαιρετικές περιπτώσεις, την ασφάλεια των περιεχομένων ενός κτηρίου. Οριακή κατάσταση αστοχίας μπορεί, για απλοποίηση ή και ασφάλεια, να θεωρηθεί και η κατάσταση λίγο πριν την πραγματική αστοχία. 7

18 Οριακές Καταστάσεις Λειτουργικότητας (Serviceability Limit States) Οι οριακές καταστάσεις λειτουργικότητας (ΟΚΛ εφεξής) αφορούν: Στις παραμορφώσεις και μετατοπίσεις που επηρεάζουν την εμφάνιση ή την αποτελεσματική χρήση του κτηρίου (συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας μηχανημάτων ή εγκαταστάσεων) ή προκαλούν αισθητικές ζημιές Στις ταλαντώσεις που προκαλούν δυσάρεστο αίσθημα σε πρόσωπα είτε ζημιές στην κατασκευή ή σε μέρος αυτής Στις βλάβες (πχ ρηγματώσεις) που ενδέχεται να επηρεάζουν αρνητικά την εμφάνιση ή και τη λειτουργία του κτηρίου Στις βλάβες που προκλήθηκαν από κόπωση ή άλλες επιρροές εξαρτώμενες από τον χρόνο. Οι ΟΚΛ διακρίνονται σε αναστρέψιμες (πχ μετά από απομάκρυνση φορτίων) και μη αναστρέψιμες (παραμένουσες παραμορφώσεις) Δράσεις και Συνδυασμοί Δράσεων Οι δράσεις, οι οποίες από τη φύση τους μπορεί να είναι στατικές ή δυναμικές, επιβάλλονται στην κατασκευή μέσω συνδυασμών και διακρίνονται σε άμεσες (συγκεντρωμένα ή ομοιόμορφα κατανεμημένα γραμμικά και επιφανειακά φορτία) και έμμεσες (επιβαλλόμενη ή παρεμποδιζόμενη παραμόρφωση λόγω θερμοκρασιακής μεταβολής ή σεισμού). Διακρίνονται δε, ως προς το χρόνο, σε: Μόνιμες (G), πχ ιδίο βάρος κατασκευής Μεταβλητές (Q), πχ φορτίο χιονιού, ανέμου, επιβαλλόμενα φορτία σε δάπεδα Τυχηματικές (Α), πχ πυρκαγιά, έκρηξη ως προς τη θέση σε: Καθορισμένες (ιδίο βάρος) Ελεύθερες (κινητά φορτία) Ανάλογα με το είδος, τη μορφή και θέση της κατασκευής προσδιορίζονται οι διάφορες χαρακτηριστικές τιμές των δράσεων, οι οποίες πολλαπλασιαζόμενες με τους επιμέρους συντελεστές ασφαλείας, συνδυάζονται μεταξύ τους με τους συντελεστές συνδυασμού (ψ) για κάθε ΟΚΑ και ΟΚΛ και εν συνεχεία 8

19 εφαρμόζονται στο φορέα. Οι δράσεις που υπεισέρχονται στους συνδυασμούς, επενεργούν και εκδηλώνονται ταυτόχρονα Συνδυασμοί Δράσεων στην ΟΚΑ Ανάλογα με την περίσταση θα ελέγχονται οι ακόλουθες οριακές καταστάσεις αστοχίας: i. EQU: Απώλεια στατικής ισορροπίας του φορέα ή μέρους του, θεωρούμενου ως άκαμπτου σώματος ii. STR: Εσωτερική αστοχία ή υπερβάλλουσα παραμόρφωση του φορέα ή δομικών μελών του iii. iv. GEO: Αστοχία ή υπερβάλλουσα παραμόρφωση του εδάφους FAT: Αστοχία λόγω κόπωσης του φορέα ή μελών του Τα φορτία σχεδιασμού στην ΟΚΑ προκύπτουν από του εξής συνδυασμούς δράσεων: 1. Για καταστάσεις διαρκείας ή παροδικές γ G,j G k,j j 1 "+" γ p P "+" γ Q,1 Q k,1 "+" γ Q,i ψ 0,i Q k,i i 1 2. Για τυχηματικές καταστάσεις G k,j "+"P"+"A d "+"ψ 1,1 (ή ψ 2,1 )Q k,1 "+" ψ 2,i Q k,i j 1 i 1 3. Για καταστάσεις σεισμού G k,j "+"P"+"A Ed "+" ψ 2,i Q k,i j 1 i 1 Η μορφή των συνδυασμών είναι συμβολική και το σύμβολο του αθροίσματος σημαίνει επαλληλία δράσεων (ταυτόχρονη συνύπαρξη) και όχι αλγεβρική ή γεωμετρική άθροιση. Τα σύμβολα στους άνω συνδυασμούς είναι τα εξής: όπου: 9

20 + σημαίνει «επαλληλία με» G k,j P Q k,1 Q k,i είναι οι χαρακτηριστική τιμή των μονίμων δράσεων είναι η χαρακτηριστική τιμή της προέντασης είναι η χαρακτηριστική τιμή της επικρατέστερης μεταβλητής δράσης είναι οι χαρακτηριστικές τιμές των λοιπών μεταβλητών δράσεων που συνυπάρχουν A d Α Εd γ G,j γ P είναι η τιμή σχεδιασμού της τυχηματικής δράσης είναι η τιμή σχεδιασμού της σεισμικής δράσης είναι οι επιμέρους συντελεστές ασφαλείας για τη μόνιμη δράση j είναι οι επιμέρους συντελεστές ασφαλείας για την προένταση γ Q,1 γ Q,i είναι ο επιμέρους συντελεστής ασφάλειας για τη μεταβλητή δράση Q k,i είναι ο επιμέρους συντελεστής ασφαλείας για τη μεταβλητή δράση i ψ 0,i ψ 1,i ψ 2,i είναι συντελεστές σχεδιασμού μεταβλητών δράσεων ως περιγράφονται στον παρακάτω πίνακα Δράσεις ψ 0 ψ 1 ψ 2 Επιβαλλόμενα φορτία σε κτήρια, κατηγορία (βλέπε ΕΝ ) Κατηγορία Α: κατοικίες, συνήθη κτήρια κατοικιών Κατηγορία Β: χώροι γραφείων Κατηγορία C: χώροι συνάθροισης Κατηγορία D: χώροι καταστημάτων Κατηγορία E: χώροι αποθήκευσης Κατηγορία F: χώροι κυκλοφορίας οχημάτων βάρος οχημάτων 30kN Κατηγορία G: χώροι κυκλοφορίας οχημάτων 30kN < βάρος οχημάτων 160kN Κατηγορία Η: στέγες 0,7 0,7 0,7 0,7 1,0 0,7 0,7 0 0,5 0,5 0,7 0,7 0,9 0,7 0,5 0 0,3 0,3 0,6 0,6 0,8 0,6 0,3 0 Φορτία χιονιού επάνω σε κτήρια (βλέπε ΕΝ ) Φιλανδία, Ισλανδία, Νορβηγία, Σουηδία Υπόλοιπα Κράτη Μέλη του CEN για τοποθεσίες που βρίσκονται σε υψόμετρο Η > 1000 m Υπόλοιπα Κράτη Μέλη του CEN για τοποθεσίες που βρίσκονται σε υψόμετρο Η 1000 m 0,70 0,70 0,50 0,50 0,50 0,20 0,20 0,20 0 Φορτία ανέμου σε κτήρια (βλέπε ΕΝ ) 0,6 0,2 0 Θερμοκρασία (μη-πυρκαγιάς) σε κτήρια (βλέπε ΕΝ ) 0,6 0,5 0 Πίνακας Α1.1 του ΕΝ1990: Προτεινόμενες τιμές συντελεστών ψ 10

21 Οι τιμές του συντελεστή γ που προτείνονται από τον Ευρωκώδικα για τους ελέγχους SRT, GEO είναι: γ Gj,sup = 1,35 γ Gj,inf = 1,00 γ Q,1 γ Q,i = 1,50 για δυσμενή, 0 για ευνοϊκή = 1,50 για δυσμενή, 0 για ευνοϊκή Για τον έλεγχο της οριακής κατάστασης ισορροπίας ενός φορέα (EQU), ελέγχεται ότι: Ε d,dst E d,stb όπου: Ε d,dst είναι η τιμή σχεδιασμού του αποτελέσματος των αποσταθεροποιητικών δράσεων E d,stb είναι η τιμή σχεδιασμού του αποτελέσματος των δράσεων που συμβάλλουν στην ευστάθεια του φορέα Για τον έλεγχο οριακής κατάστασης αστοχίας ή υπερβολικής παραμόρφωσης (STR, GEO), ελέγχετε ότι: όπου: E d R d E d είναι η τιμή σχεδιασμού του αποτελέσματος δράσεων (πχ αξονική, ροπή, διατμητική δύναμη) R d είναι η τιμή σχεδιασμό της αντοχής Συνδυασμοί Δράσεων στην ΟΚΛ Τα φορτία σχεδιασμού στην ΟΚΑ προκύπτουν από του εξής συνδυασμούς δράσεων: 1. Χαρακτηριστικός συνδυασμός G k,j "+"P "+"Q k,i "+" ψ 0,i Q k,i j 1 i 1 11

22 2. Συχνός συνδυασμός G k,j "+"P "+"ψ 1,1 Q k,1 "+" ψ 2,i Q k,i j 1 i 1 3. Οιονεί μόνιμος συνδυασμός G k,j "+"P "+" ψ 2,i Q k,i j 1 i 1 Τα σύμβολα παραμένουν ως περιγράφονται στην ΟΚΑ. Οι τιμές ψ περιγράφονται στον πίνακα Α1.1. Οι τιμή του συντελεστή γ για τους ελέγχους σε ΟΚΛ είναι μονάδα (1,0) εκτός εάν γίνεται ειδική μνεία στους EN1992 έως EN1999. Στην ΟΚΛ ελέγχεται ότι: όπου: E d C d C d E d είναι η οριακή τιμή σχεδιασμού του κριτηρίου λειτουργικότητας είναι η τιμή σχεδιασμού του αποτελέσματος των δράσεων Μέθοδοι Ανάλυσης Αφού προσδιοριστούν οι δράσεις επί της κατασκευής, ακολουθεί ο έλεγχος έναντι όλων των δυνατών συνδυασμών δράσεων ώστε να διαπιστωθεί ότι για κάθε μέλος και διατομή του φορέα ικανοποιούνται οι έλεγχοι επάρκειας. Για να υπολογίσουμε τα δυσμενέστερα αποτελέσματα των δράσεων (αξονικές και τέμνουσες δυνάμεις, καμπτικές και στρεπτικές ροπές, μετακινήσεις, στροφές, κ.α.) πρέπει να μορφώσουμε και κατόπιν να αναλύσουμε το κατάλληλο για την περίπτωση υπολογιστικό προσομοίωμα (γενικώς χωρικό). Στην περίπτωση των στατικά ορισμένων φορέων ο υπολογισμός των εντατικών μεγεθών γίνεται με τις εξισώσεις ισορροπίας ενώ σε στατικά αόριστους φορείς λαμβάνουμε υπόψη επιπλέον συνθήκες (συμβιβαστό παραμορφώσεων). Ο υπολογισμός μπορεί να γίνει είτε με ελαστική είτε με πλαστική ανάλυση. Αν 12

23 κατά την ανάλυση προκύψει ότι η επίδραση των παραμορφώσεων στο φορέα μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαφορετικές προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό των εντατικών μεγεθών ( θεωρία 1 ης τάξης, θεωρία 2 ης τάξης) Θεωρία 1 ης Τάξης Σύμφωνα με τη θεωρία 1 ης τάξης, οι μετακινήσεις που προκύπτουν από τα εντατικά μεγέθη δεν μεταβάλλουν σημαντικά τη γεωμετρία του φορέα και έτσι μπορούν να αμεληθούν (απαραμόρφωτη κατάσταση). Σε αυτή την περίπτωση η αύξηση της μετακίνησης είναι ανάλογη του εντατικού μεγέθους που την προκάλεσε (ελαστική κατασκευή γραμμική συμπεριφορά). Λόγω της γραμμικής συμπεριφοράς, οι τάσεις, παραμορφώσεις, εντατικά μεγέθη, μετακινήσεις και εντατικά μεγέθη προστίθενται με την αρχή της επαλληλίας 1. Η θεωρία 1 ης τάξης εφαρμόζεται κυρίως σε αμετάθετους φορείς (κατασκευές με αρκετά μεγάλη δυσκαμψία) ή όταν οι σχέσεις λαμβάνουν υπόψη επιρροές 2 ας τάξης Θεωρία 2 ης τάξης Αντίθετα με τη θεωρία 1 ης τάξης, η θεωρία 2 ης τάξης λαμβάνει υπόψη στους υπολογισμούς την παραμορφωμένη γεωμετρία του φορέα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις περιπτώσεις (γεωμετρικά μη γραμμική συμπεριφορά) Ελαστική Ανάλυση Στην ελαστική ανάλυση υποτίθεται ότι το υλικό συμπεριφέρεται ως γραμμικά ελαστικό καθ όλη τη φόρτιση, δηλαδή οι ανηγμένες 1 Σύμφωνα με την αρχή της επαλληλίας, τα εντατικά και παραμορφωσιακά μεγέθη που οφείλονται σε πλήθος ταυτόχρονων δράσεων, ισούνται με το άθροισμα των εντατικών και παραμορφωσιακών μεγεθών που προκύπτουν από κάθε δράση ξεχωριστά. Ισχύει μόνο όταν έχουμε γραμμική συμπεριφορά στο υλικό φορέα μας. 13

24 παραμορφώσεις είναι ανάλογες των τάσεων, όπως φαίνεται και στην παρακάτω γραφική παράσταση: Η κλίση της γραφικής παράστασης μας δίνει το μέτρο ελαστικότητας Ε το οποίο εκφράζει τη δυσκαμψία του υλικού. Στην ελαστική ανάλυση θέλουμε τα επίπεδα φόρτισης στο φορέα να είναι αρκετά χαμηλά ώστε οι τάσεις και παραμορφώσεις σε αυτόν να παραμένουν στη γραμμική περιοχή (μετά από κάποιο σημείο παύει η γραμμική αναλογία). Στην ελαστική ανάλυση 1 ης τάξης οι εξισώσεις ισορροπίας και συμβιβαστού εκφράζονται στην απαραμόρφωτη κατάσταση του φορέα. Όταν χρησιμοποιούμε ανάλυση 2 ης τάξης (παραμορφωμένος φορέας), όπου δεν ισχύει η αρχή της επαλληλίας, επιλύουμε βήμα-βήμα προσαυξάνοντας κάθε φορά την κατανομή των φορτίων. Κάθε βήμα που επιλύουμε μας δίνει μια κατάσταση παραμόρφωσης η οποία χρησιμοποιείται ως αναφορά στο επόμενο βήμα. Ουσιαστικά επιλύουμε μια σειρά από αναλύσεις πρώτης τάξης, όπου κάθε βήμα έχει και μια διαφορετική, παραμορφωμένη γεωμετρία. Λόγω του μεγέθους των πράξεων, χρησιμοποιούμε κατάλληλο λογισμικό για την επίλυση Πλαστική Ανάλυση Στην πλαστική ανάλυση λαμβάνεται υπόψη η μη γραμμικότητα του υλικού στον υπολογισμό των αποτελεσμάτων. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη συμπεριφορά του φορέα είναι: Ελαστική πλαστική ανάλυση με πλαστικοποιημένες διατομές ή/και κόμβους 14

25 Μη γραμμική πλαστική ανάλυση λαμβάνοντας υπόψη τη μερική πλαστικοποίηση μελών στις πλαστικές ζώνες Με πλαστική ανάλυση αγνοώντας τη ν ελαστική συμπεριφορά μεταξύ αρθρώσεων και θεωρώντας άκαμπτα τα μέλη της κατασκευής μεταξύ γειτονικών πλαστικών αρθρώσεων Προκειμένου να είναι δυνατή η εφαρμογή καθολικής πλαστικής ανάλυσης πρέπει στα μέλη του φορέα να υπάρχει η δυνατότητα σχηματισμού ενός αριθμού πλαστικών αρθρώσεων, χωρίς ταυτόχρονα να εμφανισθούν σημαντικές στρεπτικές παραμορφώσεις στις θέσεις όπου δημιουργούνται. Με κάθε δημιουργία πλαστικής άρθρωσης μειώνεται ο βαθμός υπερστατικότητας του φορέα και τελικώς καταλήγει σε μηχανισμό (κατάρρευση). Επιπλέον, προκειμένου να εξασφαλισθεί ότι οι διατομές και οι κόμβοι στις περιοχές όπου αναπτύσσονται πλαστικές αρθρώσεις έχουν επαρκή στροφική ικανότητα ώστε να επιτρέψουν την ανάπτυξη όλων των πλαστικών αρθρώσεων στο φορέα, πρέπει να τηρούνται οι εξής προϋποθέσεις: Το υλικό (χάλυβας) να υποφέρει εκτεταμένη παραμόρφωση δίχως αστοχία υπό υψηλές εφελκυστικές τάσεις (ολκιμότητα), ώστε να μπορεί να αναπτυχθεί η πλαστική αντοχή των διατομών. Μετά τη δημιουργία πλαστικής άρθρωσης πρέπει αυτή να μπορεί να στραφεί υπό σταθερή ροπή ίση με την πλαστική ροπή (Wpl) της διατομής. Επίσης θα πρέπει να έχει επαρκή στροφική ικανότητα ώστε να μπορεί να δημιουργηθεί μηχανισμός κατάρρευσης με ανακατανομή ροπών. Πρέπει να παρέχονται πλευρικές εξασφαλίσεις σε όλες τις θέσεις πλαστικών αρθρώσεων στις οποίες μπορεί να συμβεί στροφή υπό οποιαδήποτε περίπτωση φορτίου. Η εξασφάλιση πρέπει να παρέχεται μέσα σε μία απόσταση κατά μήκος του μέλους από τη θεωρητική θέση πλαστικής αρθρώσεως η οποία δεν ξεπερνά το μισό του ύψους του μέλους. Η κατασκευή μετά την εμφάνιση των πλαστικών αρθρώσεων θα πρέπει να καταπονείται κυρίως από στατικά φορτία ώστε να αποφευχθεί η αστοχία λόγω ολιγοκυκλικής κόπωσης. 15

26 Ο Ευρωκώδικας 3 (ΕΝ ) επιβάλλει κάποιους περιοριστικούς όρους που έχουν να κάνουν με την ποιότητα του υλικού και με τα πάχη των διατομών ώστε να ικανοποιήσουν τις παραπάνω προϋποθέσεις (πχ κατάταξη διατομών), όπως και το είδος της ανάλυσης που θα χρησιμοποιηθεί κατά περίπτωση. Επίσης λαμβάνει μέριμνα για κατασκευαστικές και γεωμετρικές ατέλειες μελών ώστε να γίνει όσο πιο ρεαλιστική η ανάλυση. 1.4 Ποιότητα Υλικών Χάλυβας Ως βασικό δομικό υλικό επιλέχθηκε χάλυβας ποιότητας S275 (f y = 275 N/mm 2, f u = 430 N/mm 2 ). Ο χάλυβας είναι κράμα με βασικό συστατικό τον σίδηρο (Fe), έπεται ο άνθρακας (C) και διάφορα άλλα μεταλλικά και μη στοιχεία σε μικρή αναλογία. Το ποσοστό συμμετοχής αυτών των στοιχείων στο τελικό κράμα προσδιορίζει τις χαρακτηριστικές ιδιότητες αυτού όπως αντοχή, συγκολλησιμότητα, ευαισθησία στη διάβρωση, ολκιμότητα. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του χάλυβα είναι τα εξής: Μεγάλος λόγος αντοχής προς ιδίο βάρος που μας επιτρέπει να έχουμε χαμηλότερο βάρος φέροντος οργανισμού, ζεύξη μεγάλων ανοιγμάτων χωρίς ενδιάμεση υποστύλωση, οικονομία χώρου και άρα μεγαλύτερες αρχιτεκτονικές παρεμβάσεις Ομογένεια υλικού που εξασφαλίζει την ακρίβεια παραδοχών ανάλυσης και ελέγχων αντοχής Με την κατάλληλη συντήρηση εξασφαλίζεται απεριόριστη διάρκεια ζωής της κατασκευής Ολκιμότητα, δηλαδή η ιδιότητα του υλικού να μπορεί να υποφέρει εκτεταμένη παραμόρφωση χωρίς αστοχία κάτω από υψηλές εφελκυστικές τάσεις. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο χάλυβας να διαρρέει τοπικά σε σημεία συγκέντρωσης τάσεων και έτσι να προλαβαίνει πρόωρες αστοχίες, ή να υφίσταται μεγάλες παραμορφώσεις κάτω από υψηλά φορτία που είναι ορατή απόδειξη επικείμενης αστοχίας. Η 16

27 ολκιμότητα του χάλυβα έχει μεγάλη σημασία σε κατασκευές κάτω από δυναμικές καταπονήσεις (π.χ. σεισμό) γιατί τότε ο χάλυβας έχει την ικανότητα να απορροφά μεγάλα ποσοστά ενέργειας αποτρέποντας έτσι την κατάρρευση της κατασκευής, κάτι που δεν συμβαίνει σε ψαθυρά υλικά όπως το σκυρόδεμα. Σύμφωνα με το ΕΝ ( 3.2.2) για τους χάλυβες που χρησιμοποιούνται σε δομικά έργα απαιτείται μια ελάχιστη ολκιμότητα η οποία θα πρέπει να εκφράζεται υπό μορφή ορίων για: το λόγο fu / fy της προδιαγεγραμμένης ελάχιστης οριακής αντοχής σε εφελκυσμό fu ως προς την προδιαγεγραμμένη ελάχιστη αντοχή διαρροής fy την επιμήκυνση στην αστοχία με δοκίμιο μήκους 5,65 A 0 (όπου A 0 είναι η αρχική επιφάνεια της διατομής) την οριακή παραμόρφωση εu, όπου η εu αντιστοιχεί στην οριακή αντοχή fu Ελαστικότητα. Ο χάλυβας συμπεριφέρεται ελαστικά μέχρι σχετικά υψηλές τάσεις, όπως φαίνεται και από το σχετικό διάγραμμα τάσεων παραμορφώσεων: 17

28 Το σχετικά μικρό βάρος των χαλύβδινων κατασκευών σε συνδυασμό με τα άνω χαρακτηριστικά καθιστά το χάλυβα ιδανικό υλικό για αντισεισμικές κατασκευές Άλλα πλεονεκτήματα είναι η βιομηχανοποιημένη παραγωγή (τυποποίηση, προκατασκευή), η δυνατότητα διάνοιξης οπών ή παραγωγής κυψελλωτών διατομών για την όδευση ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων, η ευκολία ενίσχυσης υφισταμένων κατασκευών καθώς και η επαναχρησιμοποίηση ανακύκλωση του υλικού Ως βασικά μειονεκτήματα του υλικού εντοπίζουμε τα εξής: Είναι υλικό ευαίσθητο σε υψηλές θερμοκρασίες (πυρκαγιές) Μικρή αντοχή σε φαινόμενα λυγισμού Ευαισθησία σε φαινόμενα επαναλαμβανόμενης φόρτισης (κόπωση) Οι συντελεστές υλικού που υιοθετούνται στους υπολογισμούς για δομικούς χάλυβες λαμβάνονται ως εξής: μέτρο ελαστικότητας E = N/mm 2 E μέτρο διάτμησης G = (1 + ν ) N/mm² λόγος Poisson στην ελαστική περιοχή ν = 0,3 συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής α = ανά C (για T 100 C) Σκυρόδεμα Το σκυρόδεμα χρησιμοποιήθηκε ως υλικό για τις οροφές / πατώματα των επιπέδων. Το πάχος των σύμμικτων πλακών επιλέγεται ως ενιαίο σε όλο το κτήριο στους 26,00 cm. Επιλέχθηκε σκυρόδεμα κατηγορίας C25/30 (f ck = 25 Mpa αντοχή κυλινδρικού δοκιμίου). Για την εξασφάλιση της διαφραγματικής λειτουργίας και τον υπολογισμό του πλασματικού άξονα θεωρήθηκε ισχυρή 18

29 διατμητική σύνδεση με ήλους μεταξύ των μεταλλικών δοκών και των πλακών σκυροδέματος. Επειδή δεν αποτελεί το κύριο υλικό του φορέα μας, θα αναφερθούμε επιγραμματικά στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά του που είναι τα εξής: είναι οικονομικότερο του χάλυβα, ανθεκτικό στη μηχανική φθορά και στις μεγάλες θερμοκρασίες (πυρκαγιές), απαιτεί ελάχιστη έως καθόλου συντήρηση, προσαρμόζεται σε σχεδόν κάθε μορφή ξυλοτύπου και άρα καλύπτει ένα μεγάλο μέρος αρχιτεκτονικών απαιτήσεων και έχει μεγάλη αντοχή έναντι λυγισμού και θλίψης. Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει τη γενική μορφή του διαγράμματος τάσεων παραμορφώσεων του σκυροδέματος: Στον αντίποδα είναι υλικό με μικρό λόγο αντοχής προς ιδίου βάρους που το καθιστά δύσχρηστο σε εφαρμογές μεγάλων ανοιγμάτων, ως άοπλο έχει πολύ μικρή εφελκυστική αντοχή, χρειάζεται μεγάλη προσοχή κατά τη σκυροδέτηση ώστε να αποφευχθούν κατασκευαστικά ελαττώματα / ατέλειες, είναι ιδιαίτερα δαπανηρό σε τυχόν αποκαταστάσεις βλαβών και έχει περιορισμένες θερμομονωτικές ιδιότητες. 19

30 1.5 Ο Πολυώροφος Μεταλλικός Φορέας Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο χάλυβας ως υλικό, κυρίως σε πολυώροφα κτήρια, προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με το οπλισμένο σκυρόδεμα. Τα στοιχεία (πλάκες, δοκοί, κτλ) των πολυώροφων μεταλλικών κτηρίων διαφοροποιούνται σε κάποια σημεία από τα κατασκευασμένα με οπλισμένο σκυρόδεμα στον τρόπο κατασκευής και την παραλαβή και μεταφορά των φορτίων. Για το λόγο αυτό θα γίνει μια σύντομη αναφορά σε αυτά και στον τρόπο λειτουργίας τους, παραθέτοντας τα με τη σειρά μεταφοράς των φορτίων Πλάκες Οι πλάκες μεταφέρουν τα κατακόρυφα φορτία στις δοκούς αλλά και τα οριζόντια (σεισμικά φορτία, εντάσεις από θερμοκρασιακές μεταβολές, κτλ) μέσω διαφραγματικής λειτουργίας. Στα μεταλλικά κτήρια χρησιμοποιούνται συνήθως οι σύμμικτες πλάκες, οι οποίες κατασκευάζονται από οπλισμένο σκυρόδεμα το οποίο εκχύνεται σε χαλυβδόφυλλα, τραπεζοειδούς, ως επί το πλείστον, διατομής (τα οποία λειτουργούν και ως μεταλλότυποι). Τα χαλυβδόφυλλα μπορούν να στηριχτούν στις δοκούς είτε αμφιέρειστα, είτε ως συνεχή, ανάλογα με τις σχεδιαστικές απαιτήσεις. Η συνεργασία σκυροδέματος χαλυβδόφυλλων επιτυγχάνεται με ενισχυτικές αυλακώσεις και διατμητικούς ήλους. Σύμμικτη πλάκα Σε περιπτώσεις όπου θέλουμε να πετύχουμε μείωση του ύψους του κτηρίου ή/και του ορόφου τότε οι πλάκες μπορούν να κατασκευαστούν εντός του ύψους των δοκών στις οποίες στηρίζονται (slim floors). Εκτός από απομείωση του ύψους αυτή η λύση προσφέρει και άλλα πλεονεκτήματα όπως αυξημένη αντίσταση των σιδηροδοκών σε πυρκαγιά (λόγω εγκιβωτισμού αυτών στο 20

31 σκυρόδεμα) και οικονομία υλικού αφού δεν χρησιμοποιούνται δευτερεύουσες δοκοί για τη στήριξη. Διάφοροι τύποι εγκιβωτισμένων πλακών Άλλες λύσεις είναι οι προκατασκευασμένες πλάκες (οπλισμένες ή προεντεταμένες), οι πλάκες που εκχύνονται σε πρόπλακες από οπλισμένο ή προεντεταμένο σκυρόδεμα αντί μεταλλότυπου και πιο σπάνια χρησιμοποιούνται συμβατικές πλάκες με τη χρήση ξυλοτύπων Δευτερεύουσες Δοκοί Οι δευτερεύουσες δοκοί χρησιμοποιούνται στα μεταλλικά κτήρια για την στήριξη των πλακών επί αυτών και τη μεταφορά των φορτίων στις κύριες δοκούς. Λόγω των μεγάλων ανοιγμάτων των μεταλλικών κατασκευών, η έδραση των πλακών επί των κύριων δοκών των πλαισίων θα οδηγούσε σε αυξημένο στατικό ύψος πλακών ώστε να καλυφθούν με ασφάλεια αυτά τα ανοίγματα και άρα σε κοστοβόρες λύσεις. Έδραση επί των κυρίων δοκών έχουμε μόνο στην περίπτωση εγκιβωτισμένων πλακών. 21

32 Σχηματική απεικόνιση δευτερευουσών δοκών Οι δευτερεύουσες δοκοί μπορούν να τοποθετηθούν κατά περίπτωση στο ίδιο επίπεδο με τις κύριες, σε χαμηλότερη στάθμη από αυτές ή και πάνω από τις κύριες δοκούς (βλέπε παρακάτω σχήμα). Μπορεί να είναι συμπαγούς διατομής (συνήθως μορφής Ι), δικτυωτές ή κυψελωτές. Στους δύο τελευταίους τύπους διευκολύνεται η διέλευση ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων αλλά έχουμε και χαμηλότερο βάρος λόγω απομειωμένης διατομής. Συνήθως τοποθετούνται αμφιέρειστα και συνδέονται στις κύριες δοκούς με απλές συνδέσεις τέμνουσας. 22

33 1.5.3 Κύριες Δοκοί Οι κύριες δοκοί αναλαμβάνουν να μεταφέρουν τα φορτία από τις δευτερεύουσες δοκού ή/και τις πλάκες στα υποστυλώματα. Συνήθως μορφής Ι, συνδέονται με τα υποστυλώματα τοποθετημένες μεταξύ αυτών αλλά και σε συνέχεια (διακόπτοντας τα υποστυλώματα), σε περιπτώσεις που τα οριζόντια φορτία αναλαμβάνουν εξ ολοκλήρου κατακόρυφοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας. Διακρίνουμε δύο τύπους συνδέσεων: απλές συνδέσεις τέμνουσας, άκαμπτες συνδέσεις ροπής και ημιάκαμπτες συνδέσεις (οι τελευταίες συναντώνται σε συστήματα δίχως πλαισιακή λειτουργία τα οποία παραλαμβάνουν κατακόρυφα μόνο φορτία). Στις απλές συνδέσεις τέμνουσας ο κορμός της δοκού μεταφέρει στο υποστύλωμα ολόκληρη την αντίδραση στήριξης. Αυτό επιτυγχάνεται με κοχλιωτή σύνδεση συνήθως μέσω ελασμάτων ή μετωπικών πλακών που συγκολλούνται στο υποστύλωμα. Στο παρακάτω σχήμα 2 βλέπουμε παραδείγματα απλών συνδέσεων τέμνουσας. 2 Τα σχήματα είναι από το βιβλίο των Βάγια Ι., Ερμόπουλο Ι., Ιωαννίδη Γ., Σχεδιασμός Δομικών Έργων από Χάλυβα, Εκδόσεις Κλειδάριθμος,

34 Παραδείγματα απλών συνδέσεων τέμνουσας Στις άκαμπτες συνδέσεις ροπής (δημιουργία πλαστικής άρθρωσης στη δοκό) η σύνδεση πραγματοποιείται είτε με μετωπικές πλάκες που κοχλιώνονται στο υποστύλωμα είτε με συγκολλητά πλευρικά τμήματα δοκών στα οποία η συνέχεια αποκαθίσταται με κοχλίες. Τα παρακάτω σχήματα 3 απεικονίζουν αυτές τις περιπτώσεις. 3 Τα σχήματα είναι από το βιβλίο των Βάγια Ι., Ερμόπουλο Ι., Ιωαννίδη Γ., Σχεδιασμός Δομικών Έργων από Χάλυβα, Εκδόσεις Κλειδάριθμος,

35 Άκαμπτη κοχλιωτή σύνδεση δοκού υποστυλώματος Άκαμπτη σύνδεση δοκού υποστυλώματος (προσυγκολλημένα τμήματα δοκού) Υποστυλώματα Τα υποστυλώματα είναι συνήθως μορφής Ι (πλατύπελμες, υψίκορμες), αλλά ανάλογα με το μοντέλο λειτουργίας που θέλουμε (πχ πλαισιακή λειτουργία 25

36 και στις δύο διευθύνσεις όπου θέλουμε αυξημένη δυσκαμψία και περί τον ασθενή άξονα) μπορούμε να επιλέξουμε σταυροειδής διατομές, κοίλες διατομές (σωληνωτές, τετραγωνικές ή ορθογωνικές). Διατομή Ι Ορθογωνική Τετραγωνική Σταυροειδής διατομή διατομή διατομή Σε περιπτώσεις όπου θέλουμε αυξημένη αντοχή σε πυρκαγιά, σε πλαστιμότητα (σεισμός) και γενικά αυξημένη δυσκαμψία, τα υποστυλώματα είτε εγκιβωτίζονται σε σκυρόδεμα (κλειστές διατομές) είτε γεμίζονται (κοίλες). Τα υποστυλώματα διαμορφώνονται στη βάση τους ανάλογα με τα εντατικά μεγέθη που μεταφέρουν Παραλαβή Οριζόντιων Φορτίων Συστήματα Πλευρικής Ευστάθειας Ενώ στους φορείς από οπλισμένο σκυρόδεμα η παραλαβή των οριζόντιων φορτίων εξασφαλίζεται είτε με πλαισιακή λειτουργία λόγω μονολιθικότητας είτε με τοιχώματα, στους μεταλλικούς φορείς, όταν δεν έχουμε συνδέσεις ροπής λόγω υψηλού κόστους υλοποίησης, η πλευρική ευστάθεια εξασφαλίζεται μέσω κατακόρυφων συνδέσμων. Άλλες λύσεις είναι η χρήση τοιχίων από σκυρόδεμα και σε πιο εξελιγμένες μορφές φορέων τα διατμητικά τοιχώματα από χάλυβα και τα σύμμικτα διατμητικά τοιχώματα Σε αρκετές περιπτώσεις φορέων επιλέγεται πλαισιακή λειτουργία κατά τη μια διεύθυνση και κατακόρυφοι σύνδεσμοι στην άλλη Πλαισιακή Λειτουργία Στην περίπτωση πλαισιακής λειτουργίας ιδιαίτερη προσοχή δίνεται κατά το σχεδιασμό των κόμβων δοκών-υποστυλωμάτων. Όταν σε ένα φορέα όλοι οι κόμβοι διαμορφώνονται ως κόμβοι ροπής τότε έχουμε ένα τρισδιάστατο 26

37 χωρικό πλαίσιο, παρόμοιας λειτουργίας με φορέα από σκυρόδεμα. Χαρακτηριστικά των χωρικών πλαισίων είναι η αυξημένη υπερστατικότητας αλλά και το μεγαλύτερο κόστος κατασκευής. Στην περίπτωση όπου σε ένα φορέα έχουμε συνδέσεις ροπής μόνο μεταξύ των περιμετρικών δοκώνυποστυλωμάτων και απλές συνδέσεις τέμνουσας στα εσωτερικά, τότε έχουμε σχεδιασμό με περιμετρικά πλαίσια. Σε αυτά τα μοντέλα τα οριζόντια φορτία παραλαμβάνονται από τα περιμετρικά πλαίσια Κατακόρυφοι Σύνδεσμοι Στα μεταλλικά κτήρια συναντάμε τις εξής συνήθεις μορφές κατακόρυφων συνδέσμων: α) Κατακόρυφοι κεντρικοί σύνδεσμοι (μορφής Χ, V, Λ, Κ) β) Κατακόρυφοι έκκεντροι σύνδεσμοι Οι κατακόρυφοι σύνδεσμοι λειτουργούν παραλαμβάνοντας την ένταση μέσω αξονικών δυνάμεων. Συνήθως τοποθετούνται στην περίμετρο σε συμμετρική διάταξη ώστε να μειώσουν τη δυστρεψία του φορέα και να αυξήσουν την πλευρική ευστάθεια και κατά τις δύο διευθύνσεις. Μη συμμετρικές διατάξεις (λόγω αρχιτεκτονικών συνήθως απαιτήσεων) προκαλούν προβλήματα στη 27

38 δυστρεψία του φορέα και πρέπει να αποφεύγονται. Η διαφορά των έκκεντρων συνδέσμων βρίσκεται στο βραχύ τμήμα μεταξύ των ράβδων δικτύωσης, τη δοκό σύζευξης. Σε περίπτωση σεισμού οι ένταση μεταφέρεται στα μέλη του συνδέσμου μέσω διατμητικών και καμπτικών τάσεων που αναπτύσσονται στη δοκό σύζευξης. Λόγω των εντάσεων που αναπτύσσονται στη δοκό ο σχεδιασμό της γίνεται με αυξημένες απαιτήσεις πλαστιμότητας και τοποθετούνται ενισχύσεις στον κορμό της. Οι συνδέσεις στα άκρα των συνδέσμων μπορεί να είναι είτε απλές αρθρώσεις και να καταπονούνται μόνο από αξονικές δυνάμεις, είτε συνδέσεις ροπής που παραλαμβάνουν τόσο αξονικές όσο και καμπτικές δυνάμεις και βοηθούν στην απομείωση του μήκους λυγισμού των ράβδων. 28

39 2 Φορτία σε συνήθη κτήρια σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 1 (ΕΝ1991) 2.1 Γενικά Ο Ευρωκώδικας 1 παραθέτει οδηγίες για όλες τις δράσεις που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό κτηρίων και άλλων έργων πολιτικού μηχανικού και χωρίζεται σε τέσσερα μέρη το δε πρώτο μέρος σε επτά ενότητες (τα βασικά μέρη τονίζονται με τα έντονα γράμματα): ΕΝ : Γενικές δράσεις - Πυκνότητες, ίδια βάρη και επιβαλλόμενα φορτία σε κτίρια ΕΝ : Γενικές δράσεις - Δράσεις στις κατασκευές λόγω πυρκαγιάς ΕΝ : Γενικές δράσεις - Φορτία χιονιού ΕΝ : Γενικές δράσεις - Δράσεις ανέμου EN : Γενικές δράσεις - Θερμικές δράσεις EN : Γενικές δράσεις - Δράσεις κατά την διάρκεια της κατασκευής EN : Τυχηματικές δράσεις EN : Φορτία κυκλοφορίας σε γέφυρες ΕN : Δράσεις οφειλόμενες σε γερανούς και μηχανήματα 29

40 EN : Σιλό και δεξαμενές Το μέρος 1-1 μας δίνει πληροφορίες σχετικά με την πυκνότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται σε έργα πολιτικού μηχανικού, παρουσιάζει μεθόδους προσδιορισμού των χαρακτηριστικών τιμών ιδίων βαρών για πλήθος κατασκευαστικών στοιχείων καθώς και των επιβαλλομένων φορτίων, ανάλογα με τη χρήση της κάθε κατασκευής. Θα παρατεθούν μόνο τα μέρη που ενδιαφέρουν την παρούσα διπλωματική εργασία. 2.2 Μόνιμα Φορτία Στα μόνιμα φορτία περιλαμβάνονται τα ιδία βάρη των υλικών που αποτελούν την κατασκευή (σκυρόδεμα, χάλυβας, κτλ), φέροντα και μη-φέροντα, συμπεριλαμβανομένων των μόνιμων εγκαταστάσεων εξυπηρέτησης, βάρη γαιών και έρματος. Εκφράζονται από μια (στις περισσότερες των περιπτώσεων) χαρακτηριστική τιμή και υπολογίζεται βάσει των ονομαστικών διαστάσεων (αυτές που απεικονίζονται στα σχέδια) και χαρακτηριστικών τιμών των πυκνοτήτων σύμφωνα με το ΕΝ 1990, Στα μη-φέροντα στοιχεία συμπεριλαμβάνονται τα ακόλουθα: στέγες διαμορφώσεις επιφανειών και επικαλύψεις χωρίσματα και ταπετσαρίες χειρολαβές, κιγκλιδώματα, στηθαία ασφαλείας, κράσπεδα στοιχεία επένδυσης τοίχων ψευδοροφές / αναρτημένες οροφές θερμομόνωση εξαρτήματα γεφυρών μόνιμες εγκαταστάσεις εξυπηρέτησης (εξοπλισμός ανελκυστήρων, κυλιόμενων κλιμάκων, θέρμανσης, εξαερισμού, κλιματισμού, ηλεκτρικός εξοπλισμός, σωλήνες δίχως το περιεχόμενό τους, καλώδια και αγωγούς καλωδιώσεων) Στην περίπτωση που έχουμε μετακινήσιμα χωρίσματα χρησιμοποιούμε ένα ομοιόμορφα κατανεμημένο φορτίο το ποίο προστίθεται στα επιβαλλόμενα. 30

41 2.3 Επιβαλλόμενα Φορτία Τα επιβαλλόμενα φορτία προκύπτουν από τη χρήση για την οποία προορίζεται η κατασκευή και είναι συγκεντρωμένα, γραμμικά, ομοιόμορφα κατανεμημένα ή συνδυασμοί αυτών. Οι τιμές που δίνει το πρώτο μέρος του ΕΝ1991 περιλαμβάνουν: φυσιολογική χρήση από άτομα έπιπλα και μετακινήσιμα αντικείμενα (π.χ. μετακινήσιμα χωρίσματα, αποθήκευση, περιεχόμενο εμπορευματοκιβωτίων) οχήματα αναμενόμενα σπάνια συμβάντα, όπως για παράδειγμα η συγκέντρωση ατόμων ή επίπλων, ή η μετακίνηση ή στοίβαξη αντικειμένων που μπορεί να εμφανισθεί κατά την αναδιοργάνωση ή ανα-διακόσμηση χώρων Στις παραγράφους και του ΕΝ1991 δίνονται πληροφορίες για το σχεδιασμό δοκών, δαπέδων, στεγών και υποστυλωμάτων σε ότι αφορά στις διατάξεις των φορτίων. Οι χαρακτηριστικές τιμές των επιβαλλομένων φορτίων χωρίζονται σε κατηγορίες. Για κατοικίες και κοινωνικούς, εμπορικούς και διοικητικούς χώρους δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Κατηγορία Συγκεκριμένη Χρήση Παραδείγματα 31

42 Α Χώροι διαμονής Δωμάτια σε κτήρια κατοικιών και σπίτια. Θάλαμοι και πτέρυγες σε νοσοκομεία. Υπνοδωμάτια σε ξενοδοχεία και ξενώνες, κουζίνες και τουαλέτες. Β Χώροι γραφείων C Χώροι στους οποίους οι άνθρωποι μπορεί να συναθροισθούν (με εξαίρεση τους χώρους που κατατάσσονται στις κατηγορίες Α,Β, και D 1) ) C1: Χώροι με τραπέζια κλπ. Π.χ. σχολικοί χώροι, νηπιαγωγεία, καφενεία, εστιατόρια, αίθουσες φαγητού, αναγνωστήρια, χώροι υποδοχής. C2: Χώροι με σταθερά καθίσματα, Π.χ. χώροι σε εκκλησίες, θέατρα ή κινηματογράφους, αίθουσες συνεδριάσεων, αίθουσες ομιλίας, αίθουσες συγκεντρώσεων, χώροι αναμονής, χώροι αναμονής σε σιδηροδρομικούς σταθμούς. C3: Χώροι χωρίς εμπόδια στη διακίνηση του κοινού, π.χ. χώροι σε μουσεία, εκθεσιακοί χώροι, κλπ. και χώροι πρόσβασης σε δημόσια και διοικητικά κτήρια, ξενοδοχεία και νοσοκομεία. Προαύλια σιδηροδρομικών σταθμών. C4: Χώροι για πιθανές σωματικές δραστηριότητες, π.χ. αίθουσες χορού, αίθουσες γυμναστικής και θεατρικές σκηνές C5: Χώροι επιρρεπείς σε μεγάλα πλήθη, π.χ. για δημόσιες εκδηλώσεις όπως αίθουσες συναυλιών, κλειστά γήπεδα, εξέδρες γηπέδων, εξώστες και χώροι πρόσβασης, πλατφόρμες σιδηροδρόμων. D Χώροι με εμπορικά καταστήματα D1: Χώροι σε καταστήματα λιανικής πώλησης, γενικά. 1) Εφιστάται η προσοχή στο (2), και συγκεκριμένα για το C4 και C5. Βλέπε ΕΝ 1990 στην περίπτωση που πρέπει να εξετασθούν οι δυναμικές επιδράσεις. Για την Κατηγορία Ε, βλέπε πίνακα 6.3 ΣΗΜΕΙΩΣΗ 1 Βλέπε για αποθήκευση ή βιομηχανικές δραστηριότητες. Πίνακας 6. 1 του ΕΝ : Κατηγορίες χρήσης Οι άνω κατηγορίες σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας τις χαρακτηριστικές τιμές q k (ομοιόμορφα κατανεμημένο φορτίο) και Q k (συγκεντρωμένο φορτίο) όπως αυτές αναφέρονται στο πίνακα 6.2 του ΕΝ , τροποποιημένο σύμφωνα με το Εθνικό Προσάρτημα: 32

43 Κατηγορίες φορτιζόμενων επιφανειών Κατηγορία Α και Κατηγορία Β - Δάπεδα - Σκάλες - Μπαλκόνια Κατηγορία C - C1 - C2 - C3 - C4 - C5 q k [kn/m 2 ] 2,0 3,5 5,0 3,0 5,0 5,0 5,0 7,5 Q k [kn] 2,0 2,0 3,0 3,0 4,0 4,0 4,0 4,5 Κατηγορία D - D1 - D2 Πίνακας 6.2 του ΕΝ : Επιβαλλόμενα φορτία σε δάπεδα, μπαλκόνια και σκάλες κτηρίων (Εθνικό Προσάρτημα) 5,0 5,0 4,0 4,0 Οι άνω τιμές μπορεί να αυξηθούν ανάλογα με τις ανάγκες του σχεδιασμού. Για τοπικούς ελέγχους λαμβάνεται υπόψη ένα συγκεντρωμένο φορτίο Q k το οποίο δρα μόνο του. Σε περίπτωση πολλαπλής χρήσης ενός χώρου (δαπέδου), αυτός σχεδιάζεται με το δυσμενέστερη κατηγορία φόρτισης. Στην περίπτωση των μετακινήσιμων χωρισμάτων, και υπό την προϋπόθεση ότι το δάπεδο επιτρέπει μια πλευρική κατανομή των φορτίων, το βάρος τους λαμβάνεται μέσω ενός ομοιόμορφα κατανεμημένου φορτίου q k το ποίο προστίθεται στα από τον πίνακα 6.2 επιλεγμένα επιβαλλόμενα φορτία και το ποίο καθορίζεται ως εξής: για μετακινήσιμα χωρίσματα με ίδιον βάρος 1,0 kn/m μήκους τοίχου: qk=0,5 kn/m2 για μετακινήσιμα χωρίσματα με ίδιον βάρος 2,0 kn/m μήκους τοίχου: qk=0,8 kn/m2 για μετακινήσιμα χωρίσματα με ίδιον βάρος 3,0 kn/m μήκους τοίχου: qk=1,2 kn/m2 Για χωρίσματα με μεγαλύτερο βάρος λαμβάνεται υπόψη η θέση και η κατεύθυνση αυτών καθώς και η δομική μορφή του δαπέδου. Στην ίδια παράγραφο περιγράφονται και οι περιπτώσεις χρήσης μειωτικών συντελεστών υπό προϋποθέσεις. 33

44 Αντίστοιχα για τις στέγες οι κατηγορίες και τα φορτία έχουν ως εξής: Κατηγορίες φορτιζόμενων επιφανειών Η Ι Συγκεκριμένη Χρήση Στέγες μη-προσβάσιμες παρά μόνο για την κανονική συντήρηση και για επισκευή. Στέγες προσβάσιμες για χρήση σύμφωνα με τις κατηγορίες Α έως D Κ Στέγες προσβάσιμες για ειδικές χρήσεις, όπως ελικοδρόμια Πίνακας 6.9 του ΕΝ : Κατηγοριοποίηση στεγών Στέγη q k [kν/m 2 ] Q k [kn] Κατηγορία Η 0,5 1,0 ΣΗΜΕΙΩΣΗ 1: Το q k μπορεί να θεωρηθεί ότι δρα είτε σε όλη τη στέγη είτε σε ένα τμήμα της στέγης εμβαδού, πάντως όχι μικρότερου, των 10m 2. ΣΗΜΕΙΩΣΗ 2: Βλέπε επίσης (1). Πίνακας 6.10 του ΕΝ : Φορτία κατηγορίας Η (Εθνικό Προσάρτημα) 2.4 Φορτία Χιονιού επί Στεγών Σύμφωνα με το Εθνικό Προσάρτημα και εάν δεν ορίζεται διαφορετικά για ένα συγκεκριμένο έργο, για τις ανάγκες εφαρμογής του Ευρωκώδικα ΕΝ η Ελλάς διαιρείται σε τρεις ζώνες: Ζώνη Α: Νομοί Αρκαδίας, Ηλείας, Λακωνίας, Μεσσηνίας και όλα τα νησιά πλην των Σποράδων και της Εύβοιας Ζώνη Γ: Νομοί Μαγνησίας, Φθιώτιδας, Καρδίτσας, Τρικάλων, Λάρισας, Σποράδες και Εύβοια Ζώνη Β: Υπόλοιπη Χώρα Παρόλο που για τις περισσότερες περιοχές της Ελλάδας τα φορτία χιονιού δεν είναι κρίσιμο ως προς τη διαστασιολόγηση, ωστόσο αξιολογούνται και λαμβάνονται υπόψη. Για τις περιοχές όπου δεν είναι πιθανή η εξαιρετική χιονόπτωση ή συσσώρευση χιονιού χρησιμοποιείται η με διάρκεια/παροδική κατάσταση σχεδιασμού τόσο για μη παρασυρμένο φορτίο χιονιού όσο και για παρασυρμένο φορτίο χιονιού. Σε αυτή την περίπτωση τα φορτία χιονιού για τις στέγες υπολογίζονται με την ακόλουθη σχέση: 34

45 s = μ i C e C t S k όπου: μ i ο συντελεστής σχήματος του φορτίου χιονιού S k η χαρακτηριστική τιμή φορτίου χιονιού επί του εδάφους C e ο συντελεστής εκθέσεως C t ο θερμικός συντελεστής Ανάλυση σχέσης υπολογισμού φορτίου χιονιού Στην περίπτωση μονοκλινούς στέγης ο συντελεστής σχήματος μ i παίρνει τις ακόλουθες τιμές: Κλίση στέγης (α) 0 ο α 30 ο 30 ο < α < 60 ο α 60 ο μ i 0,8 0,8 (60-α)/30 0 Για απότομες αλλαγές του ύψους των στεγών (στέγες σε επαφή ή κοντά σε ψηλότερες κατασκευές) ο συντελεστής σχήματος παίρνει τις ακόλουθες τιμές: μ 1 = 0,8 (εάν η χαμηλότερη στέγη είναι οριζόντια) μ 2 = μ s + μ w όπου: μ s ο συντελεστής σχήματος φορτίου χιονιού λόγω ολίσθησης Για α 15 ο, μ s = 0, Για α > 15 ο, ο μ s προσδιορίζεται από ένα πρόσθετο φορτίο που ανέρχεται στο 50% του μέγιστου συνολικού φορτίου χιονιού, στην εφαπτόμενη υπερκείμενη κεκλιμένη στέγη και υπολογίζεται ανάλογα με το σχήμα αυτής ( 3.1 έως 3.6 του EN ) μ w = (b 1 + b 2 ) / 2h γh/s k - Όπου γ είναι η πυκνότητα του χιονιού (ίση με 2 kn/m 2 ) - l s = 2h (5,00m l s 15,00m) το μήκος συγκέντρωσης 35

46 Σχήμα 5.7 του ΕΝ : Συντελεστές σχήματος φορτίου χιονιού για στέγες σε επαφή με ψηλότερες κατασκευές Το χαρακτηριστικό φορτίο χιονιού στο έδαφος σε μια τοποθεσία εξαρτάται από την ζώνη στην οποία ανήκει η τοποθεσία καθώς και από το υψόμετρο της τοποθεσίας πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Για κάθε ζώνη, το χαρακτηριστικό φορτίο χιονιού στο έδαφος, S k,a δίνεται από την παρακάτω σχέση: 36

47 όπου: S k,0 είναι το χαρακτηριστικό φορτίου χιονιού σε έδαφος που βρίσκεται στην στάθμη της θάλασσας (Α=0). Η τιμή του δίνεται στον παρακάτω πίνακα συναρτήσει της ζώνης Α είναι το υψόμετρο της τοποθεσίας πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας (σε m). Το υψόμετρο Α μετριέται με ακρίβεια 100m και στρογγυλεύεται στην αμέσως μεγαλύτερη εκατοντάδα Ζώνη Sk,0 (kn/m 2 ) Α 0,4 Β 0,8 Γ 1,7 Τιμές χαρακτηριστικού φορτίου χιονιού στη στάθμη της θάλασσας Ο συντελεστής εκθέσεως C e λαμβάνεται ίσος με τη μονάδα για κανονικές συνθήκες. Για άλλες συνθήκες παίρνει τις εξής τιμές: - Για έκθεση σε ισχυρούς ανέμους C e = 0,8 - Για προστατευμένες κατασκευές (κτήρια, δένδρα) C e = 1,2 Ο θερμικός συντελεστής C t ισούται και αυτός με τη μονάδα για κανονικές συνθήκες θερμικής μόνωσης της στέγης. Σε περίπτωση θερμικών απωλειών μέσω της στέγης επιτρέπονται μικρότερες τιμές. 2.5 Φορτία Ανέμου Τα φορτία ανέμου παρουσιάζουν διακυμάνσεις στο χρόνο και κατατάσσονται στις μεταβλητές καθορισμένες δράσεις. Δρουν άμεσα ως πιέσεις, αναπτύσσοντας δυνάμεις κάθετα, στις εξωτερικές επιφάνειες κλειστών κατασκευών και έμμεσα, λόγω του πορώδους των υλικών, στις εσωτερικές επιφάνειες αυτών. Σε ανοικτές κατασκευές η δράση στις εσωτερικές επιφάνειες μπορεί να είναι άμεση. Στην περίπτωση κατασκευών εύκαμπτων, με μικρά κατακόρυφα φορτία και με μεγάλο ύψος πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η δυναμική επιρροή της τυρβώδους ροής του ανέμου. Εκτός από τα φέροντα στοιχεία, υπολογισμός φορτίων ανέμου γίνεται και για μη φέροντα όπως τεγίδες, υαλοπετάσματα, κτλ. Ταυτόχρονη επιρροή άλλων δράσεων (χιόνι, γειτονικά κτήρια, κλπ) που είναι πιθανό να επηρεάσουν τη δράση του ανέμου θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. 37